第四紀多次噴發(fā)玄武巖地區(qū)橋基勘察

楊 磊 樊耀武

(吉林鐵道勘察設(shè)計院有限公司(鐵三院吉林公司), 吉林吉林 132001)

1 概述

靖宇至松江河新建鐵路全長74 km,位于吉林省東南部長白山腹地,白山市所轄的靖宇和撫松兩縣[1]。該區(qū)域新生代火山活動頻繁,分布廣泛,共有七次大的火山噴發(fā)活動,火山產(chǎn)物以火山溢流亞相基性熔巖為最發(fā)育[2-3],按噴發(fā)順序分別為顫峰山期、奶頭山期、平頂村期、軍艦山期、廣坪期、白頭山期和天文峰期,其中前五期的產(chǎn)物為玄武巖,白頭山期為粗面巖、石英粗面巖和鈉閃堿流巖,天文峰期為鈉閃堿流巖質(zhì)的浮巖、熔接凝灰?guī)r、黑耀巖及凝灰?guī)r[4]。第四紀早更新世軍艦山玄武巖(βQ1)噴發(fā)形成的熔巖臺地,成為兩縣獨特的地貌景觀[1]。玄武巖(βQ1)為線路所經(jīng)過的主要火山巖,占線路全長的50%。眾所周之,玄武巖就是巖石,工程上叫基巖,可工程實踐表明,某些情況下它的表現(xiàn)卻不像基巖。之所以說它特殊,在于它的分布形式、產(chǎn)出結(jié)構(gòu)以及對工程的影響,都與其他巖體有一定的區(qū)別,有時還不得不把它作為非基巖看待[5]。其中典型的是靖宇縣城附近的玄武巖中松散夾層極其發(fā)育(圖1),線路在該區(qū)域有3座大橋,1座特大橋,松散夾層的存在嚴重威脅橋梁基礎(chǔ)的安全?？辈爝^程中,將這種情況作為一種不良地質(zhì),比照巖溶勘探原則,查清了松散夾層的空間分布和物理力學(xué)特征,保證了橋梁基礎(chǔ)設(shè)計的安全合理。本文通過對該區(qū)域一座特大橋的工程地質(zhì)勘察,確定了該類地層的勘察原則,為今后類似地區(qū)的橋基勘察提供一些借鑒。

圖1 玄武巖與頁巖間的松散夾層

2 工程地質(zhì)概況

橋址區(qū)為青龍河沖積平原,地勢較平坦,大部辟為耕地,擬建橋梁橫跨青龍河。

橋址區(qū)勘探深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)和第四系下更新統(tǒng)玄武巖(βQ1),局部表層分布第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)。地層巖性及其分布情況見圖2。

圖2 工程地質(zhì)縱斷面

橋址范圍內(nèi)主要地層描述如下。

(1)第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)

填筑土：主要為路基填土,分布于擬建鐵路DK1+775～DK1+812和DK1+945.1～DK1+963里程,層厚1.2～2.0 m,局部為素填土,主要由細角礫及黏性土組成,主要分布于村莊及青龍河岸附近。

(2)第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)

粉質(zhì)黏土：厚度為1.3～8.8 m,黃褐色,硬塑,表層含植物根,分布于橋址區(qū)地層上部,在DK2+290～DK2+559.3缺失。

細圓礫土：厚度為2.0～10.2 m,黃褐色,稍濕—飽和,松散—稍密,一般粒徑2～20 mm,最大80 mm,母巖成分主要為玄武巖,充填中粗砂及少量黏性土，局部夾粗圓礫土。該層在大部分橋址區(qū)均有分布。

粗圓礫土：厚度為5.8～8.8 m,黃褐色,稍濕—飽和,松散—稍密,一般粒徑20～60 mm,最大120 mm,局部夾漂石,母巖成分主要為玄武巖,充填細圓礫、中粗砂及少量黏性土，局部夾細圓礫土。該層主要在DK2+320～DK2+480分布。

(3)第四系下更新統(tǒng)(Q1)

玄武巖(βQ1)：灰黑色,斑狀結(jié)構(gòu),基質(zhì)為交織結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,氣孔狀構(gòu)造,斑晶為柱粒狀橄欖石,基質(zhì)主要礦物成分為斜長石、橄欖石、磁鐵礦,強風(fēng)化—弱風(fēng)化。強風(fēng)化節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖心呈角礫狀—碎石狀；弱風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石巖芯呈碎塊狀—柱狀,遍布整個橋址區(qū)下部。

由于火山多期噴發(fā),致使玄武巖地層具有多層構(gòu)造。每一層一般都具有孔洞發(fā)育的頂、底氣孔帶和顯微空隙發(fā)育的中間微密塊狀帶。垂直上有成層性,水平方向上氣孔發(fā)育不均勻,但有一定規(guī)律,即沿當(dāng)時的火山噴發(fā)熔巖流動方向逐漸減少。在年代較新的晚更新世玄武巖的頂部氣孔帶和中間致密帶交界處，常發(fā)育有原生的熔巖隧道或管道。各種孔洞、裂隙交織發(fā)育,形成裂隙孔洞網(wǎng),使熔巖的氣孔、原次生裂隙、洞穴、隧道、古風(fēng)化殼得以相互溝通,并構(gòu)成豐富、復(fù)雜的層狀孔洞及裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[6]。夾層中充填有多層黏性土及砂土。玄武巖單軸飽和抗壓強度Rc為21.2～78.8 MPa,平均值50.8 MPa,為硬巖。

粉質(zhì)黏土,灰褐色—黃褐色,硬塑,層厚1.9～15.5 m,該層在大部分橋址區(qū)均有分布。

礫砂,灰褐色,稍密,飽和,層厚1.9～15.5 m,充填少量粉質(zhì)黏土,該夾層在DK2+390～DK2+480出現(xiàn)。

巖土基本承載力及巖土施工工程分級[5]如表1所示。

表1 基本承載力與巖土分級

3 勘探原則

3.1 勘探點平面布置及孔深

初測階段：根據(jù)不同的地貌單元,沿橋址縱斷面布置4孔,孔深為鉆入完整玄武巖(弱風(fēng)化—微風(fēng)化,巖芯長度≥200 mm)10 m,在此深度內(nèi)如遇松散夾層,則繼續(xù)鉆10 m,如此類推,停鉆標(biāo)準為完整玄武巖10 m或孔深達到40 m。通過鉆探，初步了解橋址區(qū)地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì),并通過個別鉆孔揭示了玄武巖中的松散夾層。根據(jù)玄武巖的埋深,風(fēng)化、完整程度,松散夾層位置的空間分布,初步確定基礎(chǔ)類型為明挖基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)。

定測階段：按墩臺基礎(chǔ)中心位置逐個墩臺布置鉆孔,孔深為基底或樁尖下鉆入完整玄武巖(弱風(fēng)化—微風(fēng)化,巖芯長度≥200 mm)10 m,在此深度內(nèi)如遇松散夾層,則繼續(xù)鉆10 m,如此類推,停鉆標(biāo)準為完整玄武巖10 m或孔深達到40 m。通過鉆探基本查清地層分布及其物理力學(xué)性質(zhì),據(jù)此較準確地確定每個墩臺的基礎(chǔ)類型及埋置深度。

補充定測階段：按橋梁專業(yè)全橋總布置圖,明挖基礎(chǔ)或摩擦樁基礎(chǔ)每個墩臺補充1～2孔,柱樁基礎(chǔ)每個樁1孔，孔深同定測階段。詳細查明基礎(chǔ)輪廓線內(nèi)的玄武巖面起伏情況、松散夾層的空間分布,為基礎(chǔ)設(shè)計提供詳實準確的資料。

其他測試、取樣、試驗的原則與常規(guī)橋基勘察相同。

成果資料與常規(guī)橋基勘察相同,并增加每個墩臺的工程地質(zhì)斷面展開圖(圖3)[7]。

圖3 墩臺工程地質(zhì)斷面

3.2 勘探原則制定的依據(jù)

關(guān)于第三紀以后多次噴發(fā)火山巖的勘探原則,《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)并未明確提出具體要求?？碧近c平面布置方面,只是在4.2.3條第3款中說明“對高墩或工程地質(zhì)條件復(fù)雜和巖溶發(fā)育地區(qū),勘探點應(yīng)增加”[8],而沒有具體說明如何增加和增加的數(shù)量；勘探深度方面,在4.2.3條第4款中僅說明“遇到第三紀以后多次噴發(fā)的火山巖時,鉆孔應(yīng)適當(dāng)加深”[8],而沒有具體說明如何加深。如果對區(qū)域地質(zhì)資料不熟悉,不知道玄武巖中存在松散夾層,或在工作中疏忽,沒有考慮松散夾層的影響,而把這種玄武巖當(dāng)作一般基巖看待,在平原區(qū)布置鉆孔時,隔墩或逐墩鉆探,孔深為鉆至基巖弱風(fēng)化或微風(fēng)化層2～3 m,如果鉆孔深度以下的巖石中存在松散夾層,則可能對橋梁基礎(chǔ)安全構(gòu)成嚴重威脅。

針對這種情況,必須制定明確的勘探原則,才能有效的指導(dǎo)勘察工作。玄武巖的空間分布特征主要受下伏古地形和間歇式噴發(fā)的控制,玄武巖通常以巖蓋或巖被覆蓋于古地形之上,其下伏地形可能是溝谷,也可能是丘陵；地層可能是基巖或松散土層,同時由于間歇式噴發(fā),兩次噴發(fā)期間也可能沉積松散土層,這就使玄武巖的空間分布極不均勻,常規(guī)勘察很難查清其分布特征。這種玄武巖中夾土的現(xiàn)象雖然形成的機理與巖溶不同,但巖溶溶洞中的松散堆積物,類似于玄武巖中的松散夾層,溶洞分布的復(fù)雜性也與玄武巖中松散夾層分布的復(fù)雜性相似。所以,這類玄武巖地層的勘察,可以作為一種不良地質(zhì),比照巖溶的勘探原則。

《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)第4.2.3條第4款規(guī)定“在巖溶發(fā)育及地下采空地段,應(yīng)鉆至基底以下不小于10 m,在此深度內(nèi)如遇溶洞及空洞,勘探深度應(yīng)專門研究確定[8]”；《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2001)第8.7.2條第1款規(guī)定“每個工點的控制性鉆孔不應(yīng)少于2孔；孔深應(yīng)至完整基巖內(nèi)10 m[10]”；第8.8.2條第5款“鉆探深度應(yīng)至建筑物基礎(chǔ)以下10～15 m,樁基礎(chǔ)應(yīng)至樁尖以下10 m,揭露溶洞時應(yīng)結(jié)合工程需要適當(dāng)加深[8]”,玄武巖勘探可引用以上3條款。并規(guī)定所有鉆孔均為控制孔,如遇多層松散夾層,而完整玄武巖的厚度每層都達不到10 m,可按摩擦樁勘探深度考慮,本工程控制在40 m,即可滿足摩擦樁設(shè)計需要。

《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2001)第8.8.2條第4款“巖溶復(fù)雜地段的橋基應(yīng)勘探2次,先進行控制性勘探,再按墩臺位置勘探；一般明挖基礎(chǔ)應(yīng)在基礎(chǔ)中心鉆孔,高橋的明挖基礎(chǔ)應(yīng)在基礎(chǔ)對角布置2孔,發(fā)現(xiàn)溶洞后,宜增加鉆孔數(shù)量；沉井基礎(chǔ)應(yīng)布置5孔,當(dāng)基巖溶蝕嚴重或基巖面參差不齊時應(yīng)增加鉆孔；柱樁基礎(chǔ)宜每樁1孔,摩擦樁基礎(chǔ)每個墩、臺不宜少于2孔”[10],玄武巖勘探可引用此條款,定測階段逐墩臺控制性勘探,補充定測階段再按每個墩臺詳細勘探。

4 第四紀玄武巖的分布范圍

中國第四紀火山巖主要分布在東部地區(qū),除吉林白頭山有部分粗面巖,臺灣基隆、大屯火山群有部分安山巖外,其余地區(qū)均為玄武巖。按其分布特征及其與構(gòu)造活動的關(guān)系可分為以下3條玄武巖帶。

4.1 長白山—龍崗山帶

此帶分布在鄭廬斷裂以東,受向撫順一密山斷裂帶及圖門江—鴨綠江斷裂控制,由北至南分布有如下火山群。

(1)鏡泊火山群:其玄武巖主要分布在張廣才嶺主脊東坡、臥龍河、東湖頭和牡丹江河谷等地。

(2)龍崗火山群:其玄武巖分布在吉林輝南和靖宇一帶。

以上兩地玄武巖幾乎在第四紀各時期均有發(fā)育。

(3)長白山火山群：位于吉林省東部白頭山周圍,即撫松、安圖、長白及和龍縣等地。

玄武巖時代主要為早更新世,有少部分屬晚更新世。

(4)寬甸火山群：位于吉林省寬甸盆地中，玄武巖時代為中—晚更新世。

其次在山東蓬萊、安徽女山均有玄武巖零星分布。

4.2 大興安嶺—太行山帶

此帶大致處于中國地形從第二臺階向第三臺階的轉(zhuǎn)變地帶,由北至南分布有如下火山群。

(1)諾敏河—遜克火山群：主要受東西向海拉爾—遜克深斷裂及向嫩江深斷裂控制。自西向東玄武巖主要分布在內(nèi)蒙古的輝河、甘河、諾敏河流域，以及黑龍江省的門鹿河、科洛、五大連池和石參山等地，玄武巖時代屬中更新世至全新世。

(2)阿巴嘎—惠通梁火山群：分布在內(nèi)蒙古中東部的阿巴嘎旗和阿巴哈納爾旗等地,是在晚第三紀形成的玄武巖臺地上發(fā)育的第四紀玄武巖,時代屬早—晚更新世。

(3)山西大同火山群：位于山西大同縣和陽高縣，玄武巖時代主要為中更新世。

另外在太行山東麓昔陽、左權(quán)等地也有玄武巖零星出露。

4.3 東南沿海帶

該帶位于中國東南沿海,分布在臺灣、廣東和海南等省,主要受NE向斷裂控制。

(1)臺灣省：在北部大屯、基隆火山群及周圍島嶼分布,以安山巖為主,部分玄武巖,其時代主要為早更新世。

(2)廣東?。豪字莅雿u中南部英利、下橋、曲界、龍門等地,北部分布在城里嶺、湖光巖、涸洲島、姻洲島和斜陽島等地。玄武巖時代為中一晚更新世。

(3)海南?。罕辈恐饕植荚阱？h、臨高、澄邁、瓊山、定安和龍橋等地，玄武巖時代為早、晚更新世至全新世。

總之,中國東部第四紀火山及其所形成的玄武巖,主要發(fā)育在新構(gòu)造運動強烈的東北和東南地區(qū),受斷裂控制,沿斷裂方向呈條帶分布,東北區(qū)呈NNE向,東南地區(qū)由NNE向向西隨構(gòu)造線方向的改變,逐漸過渡為近東西向分布。

上新世末期至第四紀早期火山噴發(fā)方式是以裂隙式溢流為主,玄武巖多為致密塊狀形成熔巖臺地。而第四紀火山是以中心式噴發(fā)為主,特別是晚更新世晚期至全新世全部是中心式噴發(fā)。中心式噴發(fā)的特點是含氣體多、噴發(fā)猛烈,形成以氣孔構(gòu)造為主的玄武巖[11]。

由此可見,第四紀玄武巖分布廣泛,專門研究該類地層的勘探原則具有現(xiàn)實意義。

5 結(jié)論

通過鉆探揭示,第三紀以后多次噴發(fā)的火山巖(工程實例為第四紀玄武巖)松散夾層極其發(fā)育,空間分布復(fù)雜,如勘察不清,則可能嚴重威脅橋梁基礎(chǔ)安全。規(guī)范未明確規(guī)定該類地層的勘探原則,根據(jù)其特點,將該類地層作為不良地質(zhì),比照巖溶勘探原則進行勘探,可查清每個墩臺的松散夾層分布特征,為橋梁基礎(chǔ)設(shè)計提供可靠依據(jù)。經(jīng)施工檢驗,勘察成果準確度較高,效果良好,可為全國其他類似地層的勘探原則提供參考。

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[2] 吉林省地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊.中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告(1∶200 000)靖宇縣幅(地質(zhì)部分)[R].長春：吉林省地質(zhì)局,1979

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[6] 秦志學(xué),韓子夜.我國玄武巖地下水的基本特征[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1993(4)

[7] 吉林鐵道勘察設(shè)計院有限公司.新建鐵路靖宇至松江河線初步設(shè)計(青龍河特大橋)[R].吉林：吉林鐵道勘察設(shè)計院有限公司,2008

[8] TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[9] 鐵道第一勘察設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社,2005

[10] TB10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[11] 張玉芳.中國東部第四紀玄武巖空隙特征及其水文地質(zhì)意義[J].中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所所刊,1992(8)